(57)【要約】    【課題】燃料電池スタックの劣化を抑制できる固体高分子形燃料電池システム及びその制御方法を提供すること。    【解決手段】固体高分子形燃料電池システムの制御方法は、燃料電池スタックの温度値を取得して前記温度値が所定の範囲内であるか否かを判断する第１ステップ（Ｓ２、Ｓ３）と、燃料電池スタックの電流値を取得して、電流密度を求め、前記電流密度が所定の範囲内であるか否かを判断する第２ステップ（Ｓ４、Ｓ５）と、前記第２ステップで求めた前記電流密度及び所定の時間間隔の前の電流密度の大小を比較する第３ステップ（Ｓ６）と、前記第１ステップ及び前記第２ステップで共に所定の範囲内であると判断した場合、前記第３ステップで前記電流密度が所定の時間の前の前記電流密度よりも小さいと判断したときには、前記温度を下げるように制御する第４ステップ（Ｓ７）とを含む。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素極及び酸素極を有する燃料電池スタックを備える固体高分子形燃料電池システムであって、
制御部と、
前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部と、
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、
前記燃料電池スタックの温度を下げる冷却部と、をさらに備え、
前記温度検出部によって検出された温度値が第１の所定範囲内であり、且つ前記電流測定部によって測定された電流値から求められた電流密度が第２の所定範囲内である場合であって、前記電流密度が所定時間前に求められた電流密度よりも小さいときには、前記制御部が前記温度を下げるように前記冷却部を制御することを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
【請求項２】
水素極及び酸素極を有する燃料電池スタックを備える固体高分子形燃料電池システムであって、
制御部と、
前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、
前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、
前記燃料電池スタックの温度を下げる冷却部と、をさらに備え、
前記温度検出部によって検出された温度値が第１の所定範囲内であり、且つ前記電圧測定部によって測定された電圧値から求められた燃料電池セルのセル電圧が第３の所定範囲内である場合であって、前記セル電圧が所定時間前に求められたセル電圧よりも高いときには、前記制御部が前記温度を下げるように前記冷却部を制御することを特徴とする固体高分子形燃料電池システム。
【請求項３】
前記第１の所定範囲が、約５０°Ｃ〜８０°Ｃの範囲であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の固体高分子形燃料電池システム。
【請求項４】
前記冷却部が、空冷ファンであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池システム。
【請求項５】
前記冷却部が、ヒートパイプであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池システム。
【請求項６】
前記冷却部が、スタック冷却水を流す手段であることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池システム。
【請求項７】
前記冷却部が、前記酸素極側を冷却することを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池システム。
【請求項８】
水素極及び酸素極を有する燃料電池スタックと、制御部と、前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部と、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、前記燃料電池スタックの温度を下げる冷却部とを備える固体高分子形燃料電池システムにおいて、
前記制御部が、前記温度検出部から温度値を取得し、前記温度値が第１の所定範囲内であるか否かを判断する第１ステップと、
前記制御部が、前記電流測定部から電流値を取得し、電流密度を求め、前記電流密度が第２の所定範囲内であるか否かを判断する第２ステップと、
前記制御部が、前記第２ステップで求めた第１の電流密度及び所定時間前の第２の電流密度の大小を比較する第３ステップと、
前記第１ステップで前記温度値が前記第１の所定範囲内であり、且つ前記第２ステップで前記電流密度が前記第２の所定範囲内であると判断した場合であって、前記第３ステップで前記第１の電流密度が前記第２の電流密度よりも小さいと判断したときには、前記制御部が前記温度を下げるように前記冷却部を制御する第４ステップとを含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの制御方法。
【請求項９】
水素極及び酸素極を有する燃料電池スタックと、制御部と、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、前記燃料電池スタックの温度を下げる冷却部とを備える固体高分子形燃料電池システムにおいて、
前記制御部が、前記温度検出部から温度値を取得し、前記温度値が第１の所定範囲内であるか否かを判断する第１ステップと、
前記制御部が、前記電圧測定部から電圧値を取得し、燃料電池セルのセル電圧を求め、前記セル電圧が第３の所定範囲内であるか否かを判断する第２ステップと、
前記制御部が、前記第２ステップで求めた第１のセル電圧及び所定時間前の第２のセル電圧の大小を比較する第３ステップと、
前記第１ステップで前記温度値が前記第１の所定範囲内であり、且つ前記第２ステップで前記セル電圧が前記第３の所定範囲内であると判断した場合であって、前記第３ステップで前記第１のセル電圧が前記第２のセル電圧よりも高いと判断したときには、前記制御部が前記温度を下げるように前記冷却部を制御する第４ステップとを含むことを特徴とする固体高分子形燃料電池システムの制御方法。
【請求項１０】
前記第１の所定範囲が、約５０°Ｃ〜８０°Ｃの範囲であることを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の固体高分子形燃料電池システムの制御方法。
【請求項１１】
前記冷却部が、前記酸素極側を冷却することを特徴とする請求項８〜請求項１０のいずれか一項に記載の固体高分子形燃料電池システムの制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、固体高分子形燃料電池システム及びその制御方法に関し、より詳細には、燃料電池の燃料電池スタックの劣化を抑制できる固体高分子形燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の環境問題、特に大気汚染や二酸化炭素による地球温暖化の問題に対し、クリーンな排気および高エネルギー効率を可能とする燃料電池システムが注目を浴びている。種々の燃料電池の中でも特に高い出力密度を有する固体高分子形燃料電池（以下、ＰＥＦＣとも記す）を用いる燃料電池システムは小型・軽量化可能であり、一般家庭での電力需要と給湯需要の両方をまかなう家庭用コージェネレーションシステムとして注目されている。固体高分子形燃料電池は、通常、水素極（アノード）におけるＨ２酸化反応及び酸素極（カソード）におけるＯ２還元反応の速度を高めるために、白金又はその合金等の高価な貴金属が電極触媒として用いられる。
【０００３】
固体高分子形燃料電池から負荷に電流を供給すると内部の抵抗による電圧降下が生じるが、低負荷や開回路時のような状況下で燃料電池が高い電圧に保持され、さらに高温で作動する場合には、酸素極の白金触媒の溶出およびシンタリングといわれる粒子拡大により反応面積が減少することが短時間で起こり、大きな問題となる。この問題に対して、運転停止時の高い開回路電圧を抑制することにより、酸素極の触媒の溶出およびシンタリング（白金粒子拡大）を防止する技術が下記特許文献１に開示されている。さらに、下記特許文献２には、燃料電池の開回路のような停止状態のみならず保管状態においても、水素極及び／又は酸素極の電位、あるいは燃料電池のセルスタックの温度を抑制することにより、この問題に対処する技術が開示されている。
【特許文献１】特開平８−２２２２５８号公報
【特許文献２】特開２００５−２５１４３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記した特許文献１、２には、固体高分子形燃料電池の起動、停止及び保管時に電極の電位、又は燃料電池スタックの温度を制御することによって電極の劣化を抑制する方法が開示されているが、運転状態におけるこの問題を解決することはできない。特に低負荷運転の場合、出力電流が小さくなる一方で、燃料電池スタックの出力電圧が高くなるため、即ちカソード側の電極が高電位になるために、カソード側の白金のシンタリング、白金の溶解、カーボンの腐食等により電極の劣化が促進されてしまう問題が依然として残る。特に、一般家庭に設置される燃料電池システムでは定格運転のみならず部分負荷で運転されることが多く、頻繁な低負荷運転及び最小負荷運転によりカソード電極の劣化が促進されるという問題がある。
【０００５】
本発明は、上記した従来の問題点を解決するためになされたものであり、電極の劣化、特に、カソード側電極の劣化を抑制することができる固体高分子形燃料電池システム及びその制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、本発明に係る固体高分子形燃料電池システム（１）は、水素極及び酸素極を有する燃料電池スタックを備える固体高分子形燃料電池システムであって、制御部と、前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部と、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、前記燃料電池スタックの温度を下げる冷却部と、をさらに備え、前記温度検出部によって検出された温度値が第１の所定範囲内であり、且つ前記電流測定部によって測定された電流値から求められた電流密度が第２の所定範囲内である場合であって、前記電流密度が所定時間前に求められた電流密度よりも小さいときには、前記制御部が前記温度を下げるように前記冷却部を制御することを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係る固体高分子形燃料電池システム（２）は、水素極及び酸素極を有する燃料電池スタックを備える固体高分子形燃料電池システムであって、制御部と、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、前記燃料電池スタックの温度を下げる冷却部と、をさらに備え、前記温度検出部によって検出された温度値が第１の所定範囲内であり、且つ前記電圧測定部によって測定された電圧値から求められた燃料電池セルのセル電圧が第３の所定範囲内である場合であって、前記セル電圧が所定時間前に求められたセル電圧よりも高いときには、前記制御部が前記温度を下げるように前記冷却部を制御することを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る固体高分子形燃料電池システム（３）は、上記の燃料電池システム（１）又は（２）において、前記第１の所定範囲が、約５０°Ｃ〜８０°Ｃの範囲である。
【０００９】
上記の燃料電池システムのいずれかにおいて、前記冷却部は空冷ファンであることができる。また、前記冷却部は、ヒートパイプ、又は燃料電池スタックに流入する冷却水（スタック冷却水）を流す手段であってもよい。
【００１０】
さらに、上記の燃料電池システムのいずれかにおいて、前記冷却部は、前記酸素極側を冷却することができる。
【００１１】
また、本発明に係る固体高分子形燃料電池システムの制御方法（１）は、水素極及び酸素極を有する燃料電池スタックと、制御部と、前記燃料電池スタックの出力電流を測定する電流測定部と、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、前記燃料電池スタックの温度を下げる冷却部とを備える固体高分子形燃料電池システムにおいて、前記制御部が、前記温度検出部から温度値を取得し、前記温度値が第１の所定範囲内であるか否かを判断する第１ステップと、前記制御部が、前記電流測定部から電流値を取得し、電流密度を求め、前記電流密度が第２の所定範囲内であるか否かを判断する第２ステップと、前記制御部が、前記第２ステップで求めた第１の電流密度及び所定時間前の第２の電流密度の大小を比較する第３ステップと、前記第１ステップで前記温度値が前記第１の所定範囲内であり、且つ前記第２ステップで前記電流密度が前記第２の所定範囲内であると判断した場合であって、前記第３ステップで前記第１の電流密度が前記第２の電流密度よりも小さいと判断したときには、前記制御部が前記温度を下げるように前記冷却部を制御する第４ステップとを含むことを特徴とする。
【００１２】
本発明に係る固体高分子形燃料電池システムの制御方法（２）は、水素極及び酸素極を有する燃料電池スタックと、制御部と、前記燃料電池スタックの出力電圧を測定する電圧測定部と、前記燃料電池スタックの温度を検出する温度検出部と、前記燃料電池スタックの温度を下げる冷却部とを備える固体高分子形燃料電池システムにおいて、前記制御部が、前記温度検出部から温度値を取得し、前記温度値が第１の所定範囲内であるか否かを判断する第１ステップと、前記制御部が、前記電圧測定部から電圧値を取得し、燃料電池セルのセル電圧を求め、前記セル電圧が第３の所定範囲内であるか否かを判断する第２ステップと、前記制御部が、前記第２ステップで求めた第１のセル電圧及び所定時間前の第２のセル電圧の大小を比較する第３ステップと、前記第１ステップで前記温度値が前記第１の所定範囲内であり、且つ前記第２ステップで前記セル電圧が前記第３の所定範囲内であると判断した場合であって、前記第３ステップで前記第１のセル電圧が前記第２のセル電圧よりも高いと判断したときには、前記制御部が前記温度を下げるように前記冷却部を制御する第４ステップとを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、上記の固体高分子形燃料電池システムの制御方法（１）又は（２）において、前記第１の所定範囲が、約５０°Ｃ〜８０°Ｃの範囲であることを特徴とする。
【００１４】
さらに、上記の固体高分子形燃料電池システムの制御方法のいずれかにおいて、前記冷却部は、前記酸素極側を冷却することができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、固体高分子形燃料電池システムにおいて、燃料電池の負荷が低く、燃料電池スタックが高い電圧にあるときは燃料電池スタックの温度を下げることにより、燃料電池スタックの劣化を抑えることができる。特に、固体高分子形燃料電池が低負荷運転を行っているときに、燃料電池スタックの温度を低く制御することにより、カソード側を主とする燃料電池スタックの劣化速度を抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、固体高分子形燃料電池スタックの電極の劣化速度が燃料電池スタックの電圧及び温度に関係し、電圧や温度が高いほど高くなるメカニズムに鑑み、負荷が低くなることによって燃料電池スタックの電圧が高くなるために発生する燃料電池スタックの電極の劣化を、燃料電池スタックの温度を下げることにより抑制する固体高分子形燃料電池システム及びその制御方法に関する。
【００１７】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【００１９】
図１に示すように、本第１の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池システムは、主に、燃料と空気中の酸素とを反応させて電力を発生させる固体高分子形燃料電池スタック１、燃料ガスを生成する燃料ガス生成部２、酸素ガスを供給する酸素供給部３、燃料電池スタック１の出力電流を測定する電流測定部４、燃料電池スタック１の温度を検出する温度検出部５、燃料電池スタック１の温度を下げる冷却部６、及びこれら各部を制御する制御部７を備えて構成されている。なお、制御部７は、時計等の計時手段を備えている。図１においては、本発明の実施の形態を説明するために必要となる構成を示し、その他の構成要素は省略しているが、本固体高分子形燃料電池システムは電力を供給する機能を実現する上で必要となる通常の構成要素を備えている。
【００２０】
燃料電池スタック１は、図２に示すように、ガスセパレータ１ａと、リブ付き基板１ｂと、水素極（アノード）１ｃと、電解質膜１ｄと、酸素極（カソード）１ｅと、リブ付き基板１ｆとを組み合わせて単位セル１００を構成し、各単位セル１００を積層することにより構成されている。そして、水素が水素極（アノード）１ｃに供給され、酸素が酸素極（カソード）１ｅに供給され、水素極で発生した電子が負荷Ｌを通って酸素極に供給され、水素極で発生した水素イオンが電解質膜を通って酸素極に移動して酸素と反応する。その結果、負荷Ｌに電力が供給される。
【００２１】
燃料ガス生成部２は、例えば、改質器として具現されて、原燃料ガスを改質して燃料である水素ガスを発生させ、燃料電池スタック１の水素極（図示せず）に供給し、制御部７からの制御信号によって水素極に供給される燃料（水素）の量が制御さる。酸素供給部３は酸素又は酸素含有ガスを燃料電池スタック１の酸素極（図示せず）に供給し、例えば、空気ファン又は空気ブロアーとして具現され、制御部７からの制御信号によってＯＮ・ＯＦＦが制御され、空気を酸素含有ガスとして燃料電池スタック１の酸素極に供給する。
【００２２】
電流測定部４は燃料電池スタック１から負荷Ｌに供給される電流値を測定し、制御部７に出力する。
【００２３】
温度検出部５は、燃料電池スタック１の温度を検出する手段であって、例えば、燃料電池スタック１のガスセパレータ１ａの中央や、排気口・排水口等に配置された熱電対や測温抵抗体である。冷却部６は、燃料電池スタック１の温度を所定のレベルに下げるものであって、例えば、燃料電池スタック１に隣接した空冷ファンやヒートパイプ、またはスタック冷却水を流すパイプなどとして具現される。スタック冷却水を流す場合、冷却水の温度や流量を制御してもよい。
【００２４】
制御部７は、上記各部に接続され、ＣＰＵなどの演算処理部、データを一時的に記録するメモリ部、データを持続的に記録する記録部、及び各部とのインターフェース部（何れも図示せず）を備え、燃料電池の運転時に、燃料電池スタック１への燃料量、空気量、水量、及び温度等を制御するように構成されている。
【００２５】
以上の構成によって、本固体高分子形燃料電池システムは、運転時に燃料電池スタック１の出力電流密度に応じて、燃料電池スタック１の温度を制御する。以下、その制御方法について具体的に説明する。
【００２６】
図３は、図１に示した本固体高分子形燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。以下では、制御部７の演算処理部（以下、ＣＰＵと記す）が行う処理として説明する。また、ＣＰＵは、制御部７内部の記録部から所定のプログラム及びデータを読み出し、メモリ部をワークエリアとして用いて後述する各々の処理を行い、必要に応じて処理途中のデータ及び処理結果のデータを記録部に記録する。
【００２７】
本固体高分子形燃料電池システムが起動されると、燃料ガス生成部２及び酸素供給部３が制御されて燃料ガス及び空気を燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１からは負荷Ｌに電力が供給される。同時に、ステップＳ１において、初期設定を行う。即ち、記録部に予め記録されている燃料電池スタック１の出力電流密度の上限値及び下限値ｉｍａｘ、ｉｍｉｎ、燃料電池スタック温度の上限値及び下限値Ｔｍａｘ、Ｔｍｉｎ、制御時間間隔Δｔ、さらに燃料電池スタック１の電極面積Ｓ（ｃｍ２）をメモリ部に読み込む。
【００２８】
ステップＳ２において、温度検出部５によって検出された燃料電池スタック１の温度Ｔを取得し、ステップＳ３において、上記検出された温度Ｔが予め設定された所定の範囲（Ｔｍａｘ〜Ｔｍｉｎ）内であるか否かを判断する。温度Ｔが上記範囲内であると判断した場合、ステップＳ４に移行し、温度Ｔが上記範囲内でないと判断した場合、ステップＳ８に移行する。
【００２９】
ステップＳ４において、電流測定部４から伝送される出力電流Ｉに相当する信号（例えば電圧）を取得し、取得した信号から電流値Ｉを求め、電流値Ｉを電極面積Ｓで除して電流密度ｉ（ｍＡｃｍ−２）を求める。
【００３０】
ステップＳ５において、ステップＳ４で求めた電流密度ｉが、予め設定された所定の範囲（ｉｍａｘ〜ｉｍｉｎ）内であるか否かを判断する。電流密度ｉが上記範囲内であると判断した場合、ステップＳ６に移行し、電流密度ｉが上記範囲内でないと判断した場合、ステップＳ８に移行する。
【００３１】
ステップＳ６において、所定の時間間隔Δｔで電流密度ｉが変化したか否かを判断する。具体的には、例えば、ステップＳ４で求めた電流密度ｉ（ｔ＋Δｔ）と、メモリ部に記憶されているΔｔ時間前の電流密度ｉ（ｔ）とを比較し、電流密度の変化量Δｉ（＝ｉ（ｔ＋Δｔ）−ｉ（ｔ））がゼロでない場合、電流密度ｉが変化したと判断してステップＳ７に移行する。Δｉがゼロである場合、電流密度ｉが変化しなかったと判断してステップＳ８に移行する。
【００３２】
ステップＳ７において、ステップＳ６で求めた電流密度の変化量Δｉに応じて冷却部６を制御する。具体的には、Δｉ＜０、即ち電流密度が低下した（負荷が低下した）場合、冷却を強化させて燃料電池スタック１の温度を下げさせ、Δｉ＞０、即ち電流密度が上昇した（負荷が上昇した）場合、冷却を弱くして燃料電池スタック１の温度を上げさせる。この温度調整が終わったら、ステップＳ２に戻る。
【００３３】
ステップＳ８において、終了の有無を判断する。本燃料電池システムが運転継続している限り、終了するまでステップＳ２〜ステップＳ８の処理が繰り返される。なお、図３では省略しているが、ステップＳ３で温度Ｔが予め設定された所定の範囲（Ｔｍａｘ、Ｔｍｉｎ）内でない、あるいはステップＳ５で電流密度ｉが予め設定された所定の範囲（ｉｍａｘ、ｉｍｉｎ）内でないと判断されたならば、温度Ｔ及び電流密度ｉがそれぞれの設定範囲内となるように本固体高分子燃料電池システムが調整制御されてからステップＳ２に戻り、ステップＳ２〜ステップＳ８の処理が繰り返される。
【００３４】
このように、本第１の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池システム及びその制御方法によれば、燃料電池スタックの出力電流密度及び温度を常にモニタし、以上の一連の処理によって、電流密度の低下に応じて燃料電池スタックの温度を低下させ、また、電流密度の上昇に応じて燃料電池スタックの温度を上昇させるようにしたので、高電圧及び高温によって促進される燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。特に、固体高分子形燃料電池システムが低負荷運転を行っているために燃料電池スタックの出力電圧が高電圧になり、カソード側電極が高電位になる場合、燃料電池スタックの温度を下げることにより、高温・高電位によって促進される燃料電池スタックの電極、特に、カソード側の電極の劣化速度を抑制することができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。本固体高分子形燃料電池システムは、図１に示した第１の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池システムに類似する構成をしており、図４では、図１と同じ機能の構成要素には同じ符号を付している。即ち、図４に示した固体高分子形燃料電池システムは、電流測定部４の代わりに電圧測定部８を備えている点で、図１に示した固体高分子形燃料電池システムと異なる。電圧測定部８は、燃料電池スタック１の出力電圧ＶＴを測定し、対応する信号を制御部７に伝送する。
【００３６】
以上の構成によって、本固体高分子形燃料電池システムは、運転時に燃料電池スタック１を構成する燃料電池セル（単位セル）の出力電圧ｖの変化に応じて、燃料電池スタック１の温度を制御する。以下、その制御方法について具体的に説明する。
【００３７】
図５は、図４に示した本固体高分子形燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。第１の実施の形態と同様に、以下においても、制御部７のＣＰＵが行う処理として説明し、ＣＰＵは、制御部７内部の記録部から所定のプログラム及びデータを読み出し、メモリ部及び記録部を用いて処理を実行する。なお、図３を用いて説明した処理と同様の処理は簡略に記載する。
【００３８】
本固体高分子形燃料電池システムが起動されると、燃料ガス生成部２及び酸素供給部３が制御されて燃料ガス及び空気を燃料電池スタック１に供給し、燃料電池スタック１からは負荷Ｌに電力が供給される。同時に、ステップＳ１１において、初期設定を行う。即ち、記録部に予め記録されている燃料電池セルの電圧ｖの上限値及び下限値ｖｍａｘ、ｖｍｉｎ、燃料電池スタック温度の上限値及び下限値Ｔｍａｘ、Ｔｍｉｎ、制御時間間隔Δｔ、さらに燃料電池スタック１を構成する燃料電池セルの枚数Ｎをメモリ部に読み込む。
【００３９】
ステップＳ１２及びステップＳ１３において、図３のステップＳ２及びステップＳ３と同様に、温度検出部５によって検出された燃料電池スタック１の温度Ｔを取り込み、検出された温度Ｔが予め設定された所定の範囲（Ｔｍａｘ〜Ｔｍｉｎ）内であると判断した場合、ステップＳ１４に移行し、温度Ｔが上記範囲内でないと判断した場合、ステップＳ１８に移行する。
【００４０】
ステップＳ１４において、電圧測定部８から伝送される燃料電池スタックの出力電圧ＶＴを取得し、取得した電圧ＶＴを燃料電池セルの枚数Ｎで除して単位セルの電圧ｖ（ｍＶ）を求める。なお、単位セル電圧ｖを求める方法はこれに限定されず、例えば、各々の単位セル電圧をモニターするシステムであれば、測定した単位セル電圧の総和をセル枚数Ｎで除して平均値として求めることも可能である。また、セル数枚を一単位とするブロック電圧をモニターするシステムであれば、あらかじめブロック毎の単位セル電圧を求めてから、その総和をブロック数で除して、あるいはブロック電圧の総和を求めてから、それをセル枚数Ｎで除して、単位セル電圧を求めることもできる。
【００４１】
ステップＳ１５において、ステップＳ１４で求めた電圧ｖが、予め設定された所定の範囲（ｖｍａｘ〜ｖｍｉｎ）内であると判断した場合、ステップＳ１６に移行し、電圧ｖが上記範囲内でないと判断した場合、ステップＳ１８に移行する。
【００４２】
ステップＳ１６において、Δｔの時間間隔で電圧ｖが変化したか否かを判断する。具体的には、例えば、ステップＳ１４で求めた電圧ｖ（ｔ＋Δｔ）と、メモリ部に記憶されているΔｔ時間前の電圧ｖ（ｔ）とを比較し、単位セル電圧の変化量Δｖ（＝ｖ（ｔ＋Δｔ）−ｖ（ｔ））がゼロでない場合、電圧ｖが変化したと判断してステップＳ１７に移行する。Δｖがゼロである場合、電圧ｖが変化しなかったと判断してステップＳ１８に移行する。
【００４３】
ステップＳ１７において、ステップＳ１６で求めた単位セル電圧の変化量Δｖに応じて冷却部６を制御する。具体的には、Δｖ＞０、即ち電圧が上昇した場合、冷却を強化させて燃料電池スタック１の温度を下げさせ、Δｖ＜０、即ち電圧が低下した場合、冷却を弱くして燃料電池スタック１の温度を上げさせる。そして、ステップＳ１２に戻る。
【００４４】
ステップＳ１８において、終了の有無を判断する。本燃料電池システムが運転継続している限り、終了するまでステップＳ１２〜ステップＳ１８の処理が繰り返される。なお、図５では省略しているが、ステップＳ１３で温度Ｔが予め設定された所定の範囲（Ｔｍａｘ〜Ｔｍｉｎ）内でない、あるいはステップＳ１５で電圧ｖが予め設定された所定の範囲（ｖｍａｘ〜ｖｍｉｎ）内でないと判断されたならば、温度Ｔ及び電圧ｖがそれぞれの設定範囲内となるように本固体高分子燃料電池システムが調整制御されてからステップＳ１２に戻り、ステップＳ１２〜ステップＳ１８の処理が繰り返される。
【００４５】
このように、本第２の実施の形態に係る固体高分子形燃料電池システム及びその制御方法によれば、燃料電池スタックの電圧及び温度を常にモニタし、以上の一連の処理によって、電圧の上昇（即ち負荷の低下）に応じて燃料電池スタックの温度を低下させ、また、電圧の低下（即ち負荷の上昇）に応じて燃料電池スタックの温度を上昇させるようにしたので、上記第１の実施の形態と同様に、高電圧及び高温によって促進される燃料電池スタックの劣化を抑制することができる。特に、固体高分子形燃料電池システムが低負荷運転を行っているために燃料電池スタックの出力電圧が高電圧になり、カソード側の電極が高電位になる場合、燃料電池スタックの温度を下げることにより、燃料電池スタックの電極、特に、カソード側の電極の劣化速度を抑制することができる。
【００４６】
なお、上記の第２の実施の形態では、燃料電池セルの平均電圧ｖ、即ち、アノードに対するカソードの電位を求め、それを元に制御を行ったが、アノードの電位以外の適切な参照電位を基にこの電圧ｖを燃料電池セルのカソード側電極、即ち酸素極の電位に変換し、あるいは酸素極の電位を直接に測定して、酸素極の電位に基づいて燃料電池スタックの温度を制御するようにしても、同様の効果が得られる。
【００４７】
上記燃料電池スタックの温度の所定の範囲（Ｔｍａｘ〜Ｔｍｉｎ）は、例えば、固体高分子形燃料電池システムが定格運転するときの最高温度、及び最低負荷運転するときに可能な最低温度間の範囲である。一例として、Ｔｍａｘ＝８０（°Ｃ）、Ｔｍｉｎ＝５０（°Ｃ）とすることができる。
【００４８】
また、上記では、ステップＳ７又はＳ１７において、Δｉ又はΔｖの正負に応じて、冷却部の冷却能力を変化させる場合を説明したが、冷却部の冷却能力を一定とし、単にＯＮ・ＯＦＦ制御してもよい。
【００４９】
また、電流値、電圧値の測定誤差を考慮して、｜Δｉ｜又は｜Δｖ｜が所定の値よりも小さい場合には、ステップＳ７又はＳ１７において冷却能力を変化させないようにしてもよい。
【００５０】
さらに、温度を調節する制御方法としては、例えば、燃料電池スタックの電流密度、電圧、又は酸素極の電位の変化に同期して温度を調節したり、変動する量に比例して温度を調節したり、あるいは予めＣＰＵの記録部に記憶した電流密度ｉや電圧ｖと温度との関係を表すテーブルに基づいて温度を調整したりすることができる。いずれにおいても、低負荷のためにカソード側電極が高電位になることにより進行するカソード側電極の劣化の速度を低下させながら、高負荷の時にセルスタックの温度を上げて必要な出力電力を得ることができる。
【００５１】
また、燃料電池スタックにおける酸素極と水素極とでは、酸素極の電位が高いため、酸素極を主に冷却することは、燃料電池スタックの劣化進行を抑制するのにより効果的である。
【実施例】
【００５２】
次に、実施例を挙げて、本発明をより具体的に説明する。
【００５３】
本実施例では、１つの燃料電池セル（単位セル）評価装置を用いて燃料電池セルの負荷を変動させると同時に燃料電池セルの温度を変動させることによって、セルの劣化の進行を抑制できることを説明する。
【００５４】
ここでの負荷及び温度の変動は、セルの負荷を低下させると同時にセルの温度を低下させ、逆にセルの負荷を上昇させると同時にセルの温度を上昇させるというものである。
【００５５】
（１）固体高分子形燃料電池（以下、ＰＥＦＣと記す）単位セル評価装置
図６は、本実施例で使用されたＰＥＦＣ単位セル評価装置の概略構成を示す図である。
【００５６】
図６に示すように、ＰＥＦＣ単位セル評価装置は、燃料電池であるヒーター付きの単位セル１００、供給する燃料ガスの量を制御する燃料側流量コントローラー９、燃料ガスを加湿・加熱してから単位セル１００に供給する燃料ガス加湿器１０、供給する酸化剤ガス（空気）の量を制御する酸化剤側流量コントローラー１１、酸化剤ガスを加湿・加熱してから単位セル１００に供給する酸化剤ガス加湿器１２、単位セル１００の温度を下げる手段である冷却ファン１３、及び単位セル１００のアノードとカソードに両端が接続されている電子負荷装置１４を備える。
【００５７】
この評価装置では、燃料・酸化剤ガスの流量、燃料・酸化剤ガス露点、セル負荷、セル温度などの運転パラメータをプログラム制御により全自動で任意に制御可能である。
【００５８】
即ち、本実施例では、図６に示すような構成を有するＰＥＦＣ単位セル評価装置を用いてセルの負荷変動と同時にセルの温度を変動させることによる、セルの劣化進行の抑制効果を試験した。
【００５９】
（２）試験条件
単位セルを２つ用意し、それぞれ独立に連続運転させる。２つの単位セルのどちらも負荷を変動させて運転するが、一方はセル温度を一定に保持するように運転し、他方はより低い負荷のときにセル温度がより低くなるように運転を行った。また、セルに供給されるガスの露点をセル温度に同調させることにより、過加湿条件や加湿不足条件での運転を防いだ。試験に用いた燃料ガスと酸化剤ガスはそれぞれ純水素と空気である。
【００６０】
変動運転試験時のセル負荷、セル温度及びセル電圧の変化の一例を図７に示す。図７の上部には、制御した電流密度及びセル温度を示し、下部には結果として生じるセルの出力電圧を示している。
【００６１】
連続運転時の条件は、電流密度が３００ｍＡ／ｃｍ２、運転温度が７０°Ｃ、燃料利用率が６０％、空気利用率が４０％であった。また、セルの負荷と温度の変動幅は、電流密度が３００〜１００ｍＡ／ｃｍ２、セル温度が７０〜５０°Ｃの範囲内とし、負荷の変動速度は、上昇側が１０ｍＡ／ｃｍ２／分、下降側が２０ｍＡ／ｃｍ２／分であって、温度の変動速度は、上昇側が１°Ｃ／分、下降側が２°Ｃ／分とした。
【００６２】
図７の上部に示すように、この試験では、１００ｍＡ／ｃｍ２、２００ｍＡ／ｃｍ２、及び３００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度に対応する負荷のときに５分間負荷を一定に保持した後、次の段階へ移るシーケンスでプログラム運転を行った。また、図７の下部に示すように、変動する電流密度に対して、セル電圧は、逆の方向の変動をしていた。これは、負荷が低下するときに、即ち電流密度が小さくなるときに、セル電圧が大きくなり、これに起因する電極の劣化促進を示していると考えられる。
【００６３】
（３）効果
図８は、負荷変動時にセル温度を変動させた場合とセル温度を一定にした場合とにおいてそれぞれのセル電圧の変化を示す図である。図８において、「○」は、負荷変動時にセル温度を一定にした場合のセル電圧を、「●」は、負荷変動時にセル温度を変動させた場合のセル電圧を表す。図８では、負荷変動期間中の電圧変化を図示せず、特性評価のための３００ｍＡの電流密度で連続運転している期間の電圧のみを図示している。
【００６４】
図８から分かるように、運転初期はどちらも純水素で７６０ｍＶ程度のセル電圧を示していたが、６６００時間運転後ではセル電圧に１０数ｍＶの差が見られ、セル温度一定で運転した場合よりもセル温度を変動させた場合の方がセル電圧の低下は小さかった。
【００６５】
セルの劣化の主原因としてはカソード電極の劣化、アノード電極の劣化、電解質膜の劣化が考えられるが、６６００時間経過時のセル特性評価では、開回路電圧や膜抵抗などは初期と変化なく、セル中の電解質膜に顕著な劣化は見られず、また燃料に純水素を用いていたためアノード側にも顕著な劣化は見られなかった。よって、６６００時間経過時の１０数ｍＶのセル電圧の差は主にカソード側の劣化に起因すると考えられる。従って、負荷が低い場合にセル温度を低くすることによりカソード側電極の劣化を抑えられていることがわかった。
【００６６】
以上では、本発明を具体的な実施の形態及び実施例によって説明したが、本発明は、決してそれらに限定されるものではなく、本発明に係る固体高分子形燃料電池及びその制御方は、本発明の趣旨から逸脱しない範囲で種々変更して実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る固体高分子燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図２】固体高分子燃料電池の単位セルの概略構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る固体高分子燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係る固体高分子燃料電池システムの概略構成を示すブロック図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る固体高分子燃料電池システムの動作を示すフローチャートである。
【図６】本発明の実施例に使用された固体高分子燃料電池単位セル評価装置の模式図である。
【図７】本発明の実施例における、変動運転試験時のセル負荷、セル温度、及びセル電圧の変化の一例を示す図である。
【図８】本発明の実施例における、負荷変動時にセル温度を変動させた場合とセル温度を一定にした場合とにおいてそれぞれのセル電圧の変化を示す図である。
【符号の説明】
【００６８】
１  燃料電池スタック
１ａ  ガスセパレータ
１ｂ  リブ付き基板
１ｃ  水素極（アノード）
１ｄ  電解質
１ｅ  酸素極（カソード）
１ｆ  リブ付き基板
２  燃料ガス生成部
３  酸素供給部
４  電流測定部
５  温度検出部
６  冷却部
７  制御部
８  電圧測定部
９  燃料側流量コントローラー
１０  燃料ガス加湿器
１１  酸化剤側流量コントローラー
１２  酸化剤ガス加湿器
１３  冷却ファン
１４  電子負荷装置
１００  単位セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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